JP6700494B2 - 被験者の肺状態の評価を支援するシステム - Google Patents

Description

本発明は、被検者の肺の状態を評価することを支援するシステム、方法及びコンピュータプログラムに関する。

被検者の肺の状態を評価することを支援するシステムは、例えば、吸収コンピュータトモグラフィイメージングシステムである。吸収コンピュータトモグラフィイメージングシステムは、Ｘ線源及びＸ線検出器を有し、これらは、Ｘ線源によって生成されたＸ線がさまざまな異なる方向で肺を通過するように、撮像される被検体の肺の周りを回転可能である。Ｘ線検出器は、肺を通過した後のＸ線を検出し、検出されたＸ線に基づいて投影データを生成し、再構成ユニットは、生成された投影データに基づいて吸収コンピュータトモグラフィ画像を再構成する。

吸収コンピュータトモグラフィ画像では、空気−軟組織の界面が良好には検出されず、それにより、被検体の肺の状態を評価することを支援するための吸収コンピュータトモグラフィ画像の有用性を低下させる。

本発明の目的は、被検体の肺の状態を評価することの改善された支援を提供することを可能にするシステム、方法及びコンピュータプログラムを提供することである。

本発明の第１の態様では、被検体の肺の状態を評価することを支援するシステムであって、
−肺の暗視野画像を提供する暗視野画像提供ユニットであって、提供される暗視野画像は、個々の異なる空間位置及び肺の呼吸状態を示す個々の異なる呼吸状態値に関する暗視野値を含む、暗視野画像提供ユニットと、
−提供される暗視野画像を処理する画像処理ユニットであって、画像処理ユニットは、提供される暗視野画像を、呼吸状態値に関して微分することによって微分画像を算出するように適応される、画像処理ユニットと、
を有するシステムが提示される。

暗視野画像では、肺、特に肺胞の空気−軟組織界面が非常に良好に検出される。この暗視野画像を呼吸状態値に関して微分することによって、機能画像が、提供されることができ、かかる機能画像は、肺疾患によって引き起こされる可能性がある空気−軟組織界面の変化を高感度で検出するために使用されることができる。これは、被検体の肺の状態を評価することの改善された支援を可能にする。

暗視野画像提供ユニットは、暗視野画像が記憶される記憶ユニットでありえ、それにより、暗視野画像提供ユニットが暗視野画像を提供することを可能にする。暗視野画像提供ユニットは更に、暗視野画像を生成するように適応される撮像システムから、暗視野画像を受け取る受信ユニットであり得る。暗視野画像提供ユニットは更に、撮像システム自体であってもよい。撮像システムは、暗視野画像、投影画像及び／又はコンピュータトモグラフィ画像を生成するように構成されることができる。

一実施形態では、暗視野画像提供ユニットは、現在の肺ボリュームと基準肺ボリュームとの間の差に依存する個々の異なる呼吸状態値に関して暗視野値が提供されるように、暗視野画像を提供するよう適応される。例えば、基準肺ボリュームは、最大吸気又は最大呼気に関する肺ボリュームであり得る。暗視野画像提供装置は、暗視野値が絶対肺ボリュームに依存する個々異なる呼吸状態値に関して提供されるように、該暗視野画像を提供するように適応されることも可能である。更に、暗視野画像提供ユニットは、暗視野値が呼吸周期内の或る時間に依存する個々異なる呼吸状態値に関して提供されるように、該暗視野画像を提供するように適応されることができる。暗視野画像が、これらの種類の呼吸状態値に関して微分される場合、空気−軟組織界面の変化を検出するための、従って被検体の肺の状態を評価することを支援するための微分画像の有用性が、一層改善されることができる。

画像処理ユニットは、呼吸状態値にわたって及び／又は空間位置にわたって微分画像の絶対画像値を積分するように適応されることができる。この積分は、例えば、それぞれ呼吸状態値全体又は空間位置全体にわたって、あるいは関心のある空間領域又は呼吸状態値の関心領域にわたって、それぞれ実施されることができる。複数の呼吸状態値にわたる積分は、積分画像をもたらす。積分結果は、被検体の肺の状態を評価することの一層改善された支援を可能にする。「Ａ及び／又はＢ」の表現は、好適には、選択肢ａ）ＢなしのＡ、ｂ）ＡなしのＢ、及びｃ）Ａ及びＢを含む、ことに留意されたい。

画像処理ユニットは更に、微分画像を決定する前に、提供された暗視野画像に動き補正アルゴリズムを適用するように適応されることが好ましく、ここで動き補正アルゴリズムは、好適には弾性動き補正アルゴリズムである。微分画像を決定する前に提供された暗視野画像内の動きアーチファクトを補正することによって、微分画像の品質が一層向上されることができ、それによって被検体の肺の状態を評価することの一層改善された支援を可能にする。

本発明の別の態様において、被験体の肺の状態を評価することを支援する方法であって、
−暗視野画像提供ユニットによって肺の暗視野画像を提供するステップであって。提供される暗視野画像は、個々異なる空間位置に関する及び肺の呼吸状態を示す個々異なる呼吸状態値に関する暗視野値を含む、ステップと、
−提供される暗視野画像を画像処理ユニットによって処理するステップであって、画像処理ユニットは、提供される暗視野画像を呼吸状態値に関して微分することによって微分画像を算出するように適応される、ステップと、
を含む方法が提示される。

本発明の更なる態様では、被検体の肺の状態の評価を支援するためのコンピュータプログラムが提示され、コンピュータプログラムは、コンピュータプログラムがシステム上で実行される際、請求項１に記載のシステムに請求項９に記載の方法を実行させるためのプログラムコード手段を含む。

請求項１に記載のシステム、請求項９に記載の方法、及び請求項１０に記載のコンピュータプログラムは、特に従属請求項に規定される同様の及び／又は同一の好適な実施形態を有することが理解されるべきである。

本発明の好適な実施形態は、従属請求項又は上述の実施形態とそれぞれの独立請求項との任意の組み合わせでありうることが理解されるべきである。

本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載される実施形態から明らかになり、それらを参照して説明される。

被検体の肺の状態を評価することを支援するシステムの実施形態を概略的及び例示的に示す図。 被検体の肺の状態を評価することを支援する方法を例示的に示すフローチャート。

図１は、被験者の肺の状態を評価することを支援するシステムの一実施形態を概略的及び例示的に示す。システム１は、さまざまな異なる取得方向において暗視野投影データを取得する取得装置４を有する。暗視野投影データを取得するために、文献"Grating-based X-ray dark-field imaging: a new paradigm in radiography" by A. Yaroshenko et al., Current Radiology Reports, 2:57 (2014)に開示される技法のように、格子ベースのＸ線位相コントラスト干渉計を用いる良く知られた技法が使用されることができ、これは参照により本明細書に組み込まれる。

システム１は更に、患者テーブルのような支持手段２上に横たわっている被験者３の呼吸状態を決定する呼吸状態決定ユニット７を有する。取得装置４は、被検体３の肺の暗視野投影データを取得するように適応され、同時に、被検体３の個々の呼吸状態を示す呼吸状態値が、呼吸状態決定ユニット７によって決定され、それにより、暗視野投影データが、呼吸状態に、すなわち呼吸状態値に割り当てられることができる。呼吸状態決定ユニット７は、それぞれの呼吸状態を決定するためにチェストベルト又は他の手段を使用することができる。呼吸状態値は、例えば、呼吸周期内の時間であり得、それらは、絶対肺ボリュームを示す値であり得るか、又は現在の肺ボリュームと、最大吸気又は最大呼気の肺ボリュームでありうる基準肺ボリュームとの間の差に依存し得る。

システム１は更に、取得された暗視野投影データと呼吸状態値とに基づいて肺の暗視野コンピュータコンピュータトモグラフィ画像を再構成する再構成ユニット５を有し、個々異なる呼吸状態について、肺の個々の暗視野コンピュータトモグラフィ画像が、再構成される。肺の再構成された暗視野画像は、２又は３の空間次元とそれぞれの呼吸状態を示す他の次元とを有する画像とみなされることができる。取得装置４、呼吸状態ユニット７及び再構成ユニット５は、肺の暗視野画像を生成し提供するように適応されるので、これらのコンポーネントは、暗視野画像提供ユニットのコンポーネントとみなされることができる。

システム１は、提供された暗視野画像に動き補正アルゴリズムを適用するよう適応される画像処理ユニット６を更に有し、この実施形態において、動き補正アルゴリズムは、弾性動き補正アルゴリズムである。特に、個々の異なる呼吸状態値に関する暗視野値、すなわち個々の呼吸状態に関する対応する空間画像が、互いに弾力的に位置合わせされることにより、肺組織の動きを表す位置合わせ変換が決定されることができる。この位置合わせ変換、すなわち決定される動きは、次いで、提供された暗視野画像における動きアーチファクトを補正するために使用されることができる。任意には、スパイロメータのようなセンサから得られる肺の動きを示す付加の動き情報もまた、動きアーチファクトを補正するために使用される。例えば、文献"Tracking lung tissue motion and expansion/compression with inverse consistent image registration and spirometry" by G. Christensena, Medical Physics, volume 34, number 6 (2007)に開示される動き補正技術が使用されることができ、その内容は、参照によって本明細書に組み込まれる。

画像処理ユニット６は更に、提供された暗視野画像を呼吸状態値に関して微分することによって微分画像を算出するように適応される。この微分は次式で表されることができる：

ここで、

は、個々の異なる空間位置

及び個々の異なる呼吸状態値ｂに関する暗視野画像の暗視野値を表し、

は、個々の異なる空間位置

及び個々の異なる呼吸状態値ｂに関する微分画像の画像値を表す。

システム１は更に、暗視野画像を生成するプロシージャ、微分画像を算出するプロシージャなどを開始又は停止するためのコマンドのようなコマンドを、ユーザがシステム１に入力できるようにする入力ユニット８を有する。更に、システム１は、微分画像及び提供された暗視野画像を表示する表示ユニット９を有する。特に、表示ユニット９は、基準状態ｂ_ｒｅｆに関する肺構造変化の空間分布

を示すことができ、すなわちこれは、基準状態ｂ_ｒｅｆに関する空間的な肺構造変化分布を示すマップを示すことができ、かかるマップは、活性肺領域及び不活性肺領域を区別するのに有用であり得る。また、表示ユニット９は、基準空間位置

に関する関数

を表示することができ、関数は、基準位置

における肺構造の時間変化を示す。基準位置

及び基準呼吸状態値ｂ_ｒｅｆは、入力ユニット８を介してユーザにより選択可能であってもよい。

暗視野投影データ及び再構成された暗視野コンピュータトモグラフィ画像は、知られている減衰投影データ及び知られている吸収コンピュータトモグラフィ画像の空間分解能を下回る組織の微細構造に関する情報を提供する。これは、肺胞の空気−軟組織界面が強い暗視野シグネチャを生成する肺イメージングにおいて、有益な情報を提供する。例えば肺疾患によって引き起こされる健康な組織に対するこの構造の変化が、高感度で検出されることができる。特に、慢性閉塞性肺疾患（ＣＯＰＤ）、肺炎及び／又は肺線維症が検出されることができる。

肺の呼吸状態は、肺の微細構造に影響を及ぼし、ゆえに、暗視野信号の呼吸状態への依存をもたらす。図１を参照して上述したシステム１は、肺の機能情報を取得するために、この暗視野の、呼吸状態に対する依存性を利用する。局所暗視野値であるともみなされ得る暗視野値

に基づいて、肺組織機能パラメータ

が決定され、このパラメータ

が更に、肺構造の微分変化を規定する量であるとみなされることができる。局所値

は、呼吸中の肺の微小構造変化を示す。

画像処理ユニット６は、複数の呼吸状態値にわたって微分画像の絶対画像値を積分することによって積分画像を生成するように適応されることができる。こうして、例えば、積分画像

は、次式に従って生成することができる：

この画像では、呼吸に積極的に寄与しない肺領域は、他の肺領域と比較して小さい値を示すことができ、よって、積分画像

は、肺の状態を評価することを支援するために非常に良好に使用できる。次式に従って空間位置にわたって積分することにより、呼吸状態依存の積分値Ｉ（ｂ）を生成することも可能である：

この積分は、すべての空間位置にわたって、又は関心のある空間領域のみにわたって、実行されることができる。後者の場合、結果は、呼吸中の関心領域における微細構造変化を示すことができる。

暗視野画像提供ユニット４、５、７は、ｂの組に関して暗視野画像

を決定するように及び次式に従って離散した組から微分画像を数値的に算出するように適応される：

ここで、

は、ａ）呼吸状態値ｂに関する空間位置

における暗視野値と、ｂ）隣接する呼吸状態に関する空間位置

における暗視野値との間の差を表す。それに応じて、Δｂは、呼吸状態ｂと隣接する呼吸状態との間の差を表す。肺組織は呼吸中に変形するので、上述したようにこの計算の前に動き補正が適用されることが好ましい。

呼吸状態値は、次式に従って規定されることができる：

ここで、Ｖは、現在の肺のボリュームを示す値を示し、Ｖ_ｅｘは、最大呼気に関する肺のボリュームを示す値を示し、Ｖ_ｉｎは、最大吸気に関する肺のボリュームを示す値を示す。変数ｂは、例えば絶対肺ボリューム又は呼吸周期内の時間を示すために別のやり方で規定されることもできる。

図２は、被検体の肺の状態を評価することを支援する方法の一実施形態を例示的に説明するフローチャートを示す。

ステップ１０１において、肺の暗視野画像が暗視野画像提供ユニット４、５、７によって提供され、提供された暗視野画像は、個々の異なる空間位置及び肺の呼吸状態を示す個々の異なる呼吸状態値に関する暗視野値を含む、ステップ１０２において、動き補正アルゴリズムが、提供された暗視野画像に適用される。特に、弾性動き補正アルゴリズムが、提供された暗視野画像に適用される。ステップ１０３において、微分画像は、画像処理ユニット６によって、提供された暗視野画像を呼吸状態値に関して微分することによって決定される。ステップ１０４において、微分画像が、表示ユニット９に表示される。

上述の実施形態においては、提供される暗視野画像は、コンピュータトモグラフィ画像であるが、提供される暗視野画像は、投影画像でもよく、この場合、肺構造微分変化

を決定するために、暗視野投影画像が、呼吸状態値に関して微分される。更に、上述の実施形態では、暗視野コンピュータトモグラフィ画像は、暗視野投影画像に基づいて再構成されているが、暗視野コンピュータトモグラフィ画像は、中間暗視野投影画像を生成することなく、Ｘ線ベースの位相コントラスト干渉計から得られる生データから直接に再構成されることもできる。対応する既知の暗視野技術の更なる詳細については、A.Yaroshenko他による上述の論文を参照されたい。

開示される実施形態に対する他の変更は、図面、開示、及び添付の特許請求の範囲の検討から、請求項に記載の発明を実施する際に当業者によって理解され、達成されることができる。

特許請求の範囲において、「含む、有する（comprising）」という語は、他の構成要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「a」又は「an」は複数性を除外しない。

単一のユニット又は装置は、特許請求の範囲に記載された幾つかのアイテムの機能を果たすことができる。特定の手段が互いに異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示すものではない。

１又は複数のユニット又は装置によって実行されるコンピュータトモグラフィ画像の再構成、微分画像の決定、動き補正などの処理は、他の任意の数のユニット又は装置によって実施されることができる。対象の肺の状態を評価することを支援する方法に従って、対象の肺の状態を評価することを支援するシステムのためのこれらの動作及び／又はシステムの制御は、コンピュータプログラムのプログラムコード手段として及び／又は専用ハードウェアとして実現されることができる。

コンピュータプログラムは、他のハードウェアと一緒に又はその一部として供給される光学記憶媒体又は固体媒体のような適切な媒体に記憶／配布されることができるが、他の形態で、例えばインターネット又は他の有線若しくは無線の電気通信システムを介して、配布されることもできる。

請求項における如何なる参照符号も請求項の範囲を制限するものとして解釈されるべきでない。

本発明は、対象の肺の状態を評価することを支援するシステムに関する。システムは、提供された暗視野画像を呼吸状態値に関して微分することによって微分画像が生成されるように、それぞれ異なる空間位置及びそれぞれ異なる呼吸状態値に関する暗視野値を含む暗視野画像を処理するように適応される。この微分は、肺疾患によって引き起こされるうる空気−軟組織界面の変化を高感度で検出するために使用されることができる機能画像をもたらすことができる。これは、被検体の肺の状態を評価することの改善された支援を可能にする。

Claims (10)

1. 被検体の肺の状態の評価を支援するシステムであって、
   肺の暗視野画像を提供する暗視野画像提供ユニットであって、前記提供される暗視野画像は、個々の異なる空間位置と肺の呼吸状態を示す個々の異なる呼吸状態値とに関連付けられた暗視野値を含む、暗視野画像提供ユニットと、
   前記提供される暗視野画像を処理する画像処理ユニットであって、前記提供される暗視野画像を前記呼吸状態値で微分して微分画像を算出する画像処理ユニットと、
   を有するシステム。
2. 前記暗視野画像提供ユニットは、前記暗視野値が、現在の肺ボリュームと基準肺ボリュームとの間の差に依存する個々の異なる呼吸状態値に関して提供されるように、前記暗視野画像を提供する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記基準肺ボリュームが、最大吸気又は最大呼気に関する肺ボリュームである、請求項２に記載のシステム。
4. 前記暗視野画像提供ユニットは、前記暗視野値が絶対肺ボリュームに依存する個々の異なる呼吸状態値に関して提供されるように、前記暗視野画像を提供する、請求項１に記載のシステム。
5. 前記暗視野画像提供ユニットは、前記暗視野値が呼吸周期内の時間に依存する個々の異なる呼吸状態値に関して提供されるように、前記暗視野画像を提供する、請求項１に記載のシステム。
6. 前記画像処理ユニットが更に、前記呼吸状態値にわたって及び／又は前記空間位置にわたって、前記微分画像の絶対画像値を積分する、請求項１に記載のシステム。
7. 前記画像処理ユニットが更に、前記微分画像を算出する前に、前記提供された暗視野画像に動き補正アルゴリズムを適用する、請求項１に記載のシステム。
8. 前記動き補正アルゴリズムが、弾性動き補正アルゴリズムである、請求項７に記載のシステム。
9. 被検体の肺の状態の評価を支援する方法であって、
   暗視野画像提供ユニットによって肺の暗視野画像を提供するステップであって、前記提供される暗視野画像は、個々の異なる空間位置と肺の呼吸状態を示す個々の異なる呼吸状態値とに関連付けられた暗視野値を含む、ステップと、
   画像処理ユニットによって、前記提供される暗視野画像を処理するステップであって、前記画像処理ユニットは、前記提供される暗視野画像を前記呼吸状態値で微分して微分画像を算出する、ステップと、
   を含む方法。
10. 被検体の肺の状態の評価を支援するためのコンピュータプログラムであって、前記コンピュータプログラムが請求項１に記載のシステム上で実行されるとき、前記システムに請求項９に記載の方法を実行させるプログラムコード手段を有するコンピュータプログラム。

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